Modelado y simulación de columnas multicapa en unidades de adsorción por modulación de presión: Estudio de estructuras de adsorción actuales y noveles para el reformado de biogás

Abstract

[ES] Los fenómenos de adsorción son la base de una de las operaciones de separación más importantes en la ingeniería química, la separación o purificación de mezclas mediante la adsorción selectiva de un componente objetivo. Las separaciones que utilizan la adsorción son normalmente realizadas en columnas empacadas, mediante técnicas basadas en variar cíclicamente parámetros que influyen en la adsorción, como la presión o la temperatura. La adsorción por modulación de presión (PSA) es una de estas técnicas, en la que la presión es cambiada para conseguir la separación y regenerar la columna de forma cíclica. Cuando la adsorción por cambio de presión es llevada a cabo en su configuración más simple, es posible obtener un caudal casi continuo del compuesto de interés con una alta pureza. Por contra, esta configuración no es eficiente comparada con otras técnicas de separación, puesto que una gran cantidad del compuesto de interés se pierde, y el consumo de energía es también mejorable. Como consecuencia, numerosos estudios han sido llevados a cabo con el fin de optimizar el proceso, de forma que un mayor rendimiento puede ser alcanzado. Estos estudios han estado principalmente centrados en el diseño de nuevas configuraciones de ciclos de PSA y en el desarrollo de nuevos adsorbentes y materiales que los soporten. Sin embargo, otras posibilidades de mejora, como la optimización de el tamaño y la estructura del adsorbente, han sido menos estudiadas y su influencia en el rendimiento de la PSA no está completamente comprendida. El tamaño y la estructura del adsorbente puede influir en el proceso de adsorción, afectando a la cinética de la adsorción y a la caída de la presión en la columna. Estos efectos pueden ser usados para mejorar el rendimiento de la separación, como sucede con las configuraciones de columna multicapa en las que el adsorbente adopta diferentes estructuras o formas. Estas columnas multicapa permiten incrementar el rendimiento del sistema en determinados momentos y son usadas actualmente en diversas aplicaciones. Además, nuevas estructuras como las monolíticas han surgido como una interesante alternativa frente a los adsorbentes de estructura basada en pellets utilizados actualmente, debido a su presumible cinética más rápida y menor caída de presión. Por todo esto, en este Trabajo de Fin de Máster diferentes opciones para mejorar el rendimiento de la adsorción por cambio de presión son exploradas, utilizando para ello la modelización y simulación de diferentes tamaños y estructuras del adsorbente en columnas multicapa. La aplicación escogida para este estudio es la del reformado de biogás, que consiste en la obtención de biometano (una mezcla gaseosa compuesta por más del 97% de metano) mediante la separación del dióxido de carbono del biogás.

[EN] Adsorption phenomena are the basis for one of the most important unit operations in chemical engineering, which involves the separation or purification of mixtures by selectively adsorbing target components. These adsorption separations are normally performed in packed beds by techniques based on cyclically varying parameters that influence the adsorption, such as the pressure or the temperature. Pressure swing adsorption (PSA) is one of these techniques, where the pressure is varied to achieve the separation and regenerate the bed in a cyclic way. When PSA is carried out in its simplest configuration it allows to obtain a nearly continuous flow of the compound of interest at high purity. In contrast, this configuration is not efficient compared to other separation techniques, since a large amount of the compound of interest is lost as waste, and the energy consumption is improvable. As a consequence, several studies have been conducted in order to optimize this process, so a better performance can be achieved. These studies have been mostly focused on the designing of novel PSA cycles and the development of new adsorbents and carrier materials to support them. However, other possibilities for improvement, such as the optimization of the sizeand the structure of the adsorbent, have been less studied and its influence in the PSA performance is not completely understood. The size and the structure of the adsorbent can influence the adsorption process strongly by affecting the adsorption kinetics and the pressure drop inside the bed. These effects can be used to enhance the performance in PSA separations, as it is exploited when layered bed configurations with different adsorbent structures or shapes are used. In addition, novel structures such as monoliths have come up as an interesting alternative compared to the current adsorbent pellet structures, due to its presumed faster kinetics and lower pressure drop. Therefore, in this Master Thesis different options to enhance the performance of PSA are explored by modelling and simulating adsorbent sizes and structures in layered beds. The PSA application chosen for this study is biogas upgrading, which targets biomethane (a gas mixture composed by more than 97% of methane) by removing carbon dioxide from it.